Расчетное определение температуры при точечной контактной сварке Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

Сравнительный анализ структур сварных швов, выполненных без модификаторов и после введения титановых пластин толщиной 0,2 мм показывает, что при кристаллизации металла шва происходит измельчение зерна. При этом твёрдость металла шва уменьшается до ИУ1-2800-2500. Твердость околошовной зоны сохраняется на уровне твёрдости шва, выполненного без модификатора. Следовательно, модифицирующие вставки не оказывали влияния на термический цикл сварки, так как она выполнялась без изменения параметров режима.

Для оценки влияния модификаторов на стойкость к образованию кристаллизационных трещин и прочностные свойства сварных соединений применяли вставки из титана и нержавеющей стали 10Х18Н10Т толщиной 0,1-0,2 мм.

При анализе структуры сварных соединений, выполненных с модифицирующей вставкой из нержавеющей стали 10Х18Н10Т, было отмечено такое же измельчение зерна, как при модифицировании титаном, но трещинообразования при этом не наблюдалось [2].

Проведённые механические испытания сварных соединений буровых долот показали, что при использовании титана в качестве модификатора показатели прочности и особенно ударной вязкости металла шва резко ухудшаются. Это объясняется образованием большого количества карбидов титана в металле шва. При испытаниях все разрывные образцы разрушались по шву, в ударных образцах наблюдалось хрупкое разрушение.

f ■ ш У

В У ^ ■

Рис. 2. Микроструктура металла по центру шва, сваренного без модификатора (а), со вставкой

из титана (б) и стали 10Х18Н10Т (в), и образование трещины при модифицировании титаном (г)

При изменении модифицирующей фольги из стали 10Х18Н10Т разрыв проходил по ЗТВ, разрушение ударных образцов носило вязкий характер [2].

Механические свойства сварных соединений со вставкой из стали 10Х18Н10Т намного выше уровня значений для соединений с титановой вставкой, а по прочности приближаются к основному металлу.

Библиографические ссылки

1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.. Теоритическая физика. Т. 6. Гидродинамика. 1986.

2. Medlar T. Electron beam welding: Pat. 2031319 Great Britain. MKU D23k 15/00. Publ. 23.04.80.

© Болдарев Е. А., Пашкин А. Н., 2014

УДК 621.791.763

Е. А. Борисенко, В. А. Шахматова, Н. Н. Беляков Научный руководитель - С. Н. Козловский Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ТОЧЕЧНОЙ КОНТАКТНОЙ СВАРКЕ

Разработан экспериментально-расчетный метод определения температурного поля в зоне точечной сварки, позволяющий рассчитать температуру в любой точке зоны сварки, в любой момент процесса во время действия импульса сварочного тока.

Анализ известных аналитических методик расчетов температуры в зоне сварки [1], показывает, что пытаться удовлетворить требованиям современной технологии ТКС по точности определения температуры в зоне сварки этим путем весьма проблематично. В наиболее точных методиках расчетов, в основе которых лежит решение дифференциальных уравнений распределения потенциалов и теплопроводности в зоне сварки [2], результаты расчетов представляют собой дискретные значения температуры. При этом анализ термодеформационных процессов на аналитических моделях становится возможным только в том случае, если математическая модель температурного поля удовлетворяет, по крайней мере, двум условиям: описывается непрерывной функцией; в достаточной степени точно отражает дина-

мику его изменения в процессе формирования соединения.

Поэтому для анализа термодеформационных процессов при ТКС был разработан экспериментально-расчетный метод оценки температуры в зоне сварки, основанный на монотонности и подобии изменения параметров термодеформационных при точечной сварке. Суть его заключается в следующем.

Температурное поле при конкретных условиях ТКС можно описать функциями, аппроксимированными по экспериментально определенным характерным пространственно-временным точкам.

Для нахождения вида аппроксимирующих функций, которые отображали бы изменение температуры в плоскости оси электродов по координатам 2 и г в любой его момент экспериментально можно опре-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки

делить значение температуры, по крайней мере, в четырех характерных местах зоны сварки: по координате г (рис. 1, а) - температуру ТЭ в контакте электрод-деталь (2 точки); температуру плавления ТПЛ по координатам границы ядра (2 точки); и по координате г (рис. 1, б) — температуру плавления ТПЛ по координатам границы ядра (2 точки); температуру ТП внешнего контура уплотняющего пояска (2 точки).

Установлено, что изменение температуры по координатам гиг, удовлетворительно описывается функцией вида

>2)=;

У = ь •

= Ь •ехр

-(ах2) ],

(1)

Т

ТПЛ (Ани )

(г ,г /)

ехр

(ааг) +(аг/)

где / - координата времени; с, аг/ и аг/ - коэффициенты, характеризующие изменение в процессе сварки градиента температуры по цилиндрическим координатам г и г и времени /:

с =

(а2Ия/ 2)2 1п (св//НП )

, аг =

1

1п (тпл/ тЭ )

а„ = аг

-Ы 2)2

V й Я у

где х - произвольная переменная; а и Ь - коэффициенты, которые можно определять по имеющимся экспериментальным значениям температуры.

Установлено, что аппроксимировать изменение температуры на стадии нагрева как с точки зрения точности расчетов, так и компактности расчетной зависимости, наиболее рационально степенной зависимостью вида

Т = п (Дни )), (2)

где п и с - коэффициенты, которые подлежат идентификации.

Разработка математической модели температурного поля по расчетно-экспериментальному методу, в сущности, сводится к определению и математическому описанию взаимосвязей аппроксимирующих функций (1), описывающих изменение температуры по координатам г и г, и функции (2), описывающей ее изменение по времени /.

После преобразований формулу для расчета изменения температуры в любой точке зоны сварки и в любой момент времени в интервале 0 < / < /СВ можно представить в виде

т -1) (/1св у

т2 -(т2 - 1) (/1/СВ )П

ТЭ - максимальное значение температуры в контакте электрод-деталь; /НП - время начала плавления металла в контакте деталь-деталь; т1, п1, т2 и п2 -коэффициенты (табл. 1), учитывающие изменение во времени градиента температуры по координатам г и г.

Установлено, что между максимальным значением температуры в контакте электрод-деталь ТЭ и относительным проплавлением деталей ИЯ/2&' существует корреляционная зависимость, которая удовлетворительно описывается следующей функцией:

Тэ = ТПЛ (0,1 + 0,8^/^25),

где ТПЛ — температура плавления металла; НЯ - высота ядра; 5 - толщина деталей.

Усредненная для способов ТКС зависимость значений /НП от параметра АЯ/25, удовлетворительно описывается функцией, интерполированной по полиному Лагранжа:

~ 1 - 2,776 (Я/25)+ ~

+3,775 (я/25)2 -1,8(я/25)3

где /св - время сварки; НЯ - высота ядра; 5 -толщина детали.

^НП = ^св

Значения коэффициентов ш1, п1, ш2 и п2 для различных условий ТКС

Условия точечной сварки Значения коэффициентов

т1 П1 т2 П2

Электродом со сферической рабочей поверхностью Электродом с плоской рабочей поверхностью С обжатием периферии сварной точки 1,9...2,1 1,6...1,9 1,2...1,8 0,5...0,7 0,35...0,45 0,25...0,35 1,4...2,1 1,9...2,1 0,05...0,8 0,5...0,7 0,45...0,55 0,35...0,45

Большие значения относятся к более жестким режимам

Таким образом, разработан экспериментально-расчетный метод определения температуры при точечной сварке на стадии нагрева. Расчетная зависимость непрерывна и позволяет производить операции математического анализа при исследованиях термодеформационных процессов в зоне точечной сварки и решении технологических задач ТКС.

Библиографические ссылки

1. Гельман А. С. Тепловые процессы при точечной сварке // Вопросы теории сварочных процессов. ЦНИИТМАШ. Кн. 14. М. : Машгиз. 1948. С. 281-368.

2. Судник В. А., Ерофеев В. А. Расчеты сварочных процессов на ЭВМ // Тула : ТПИ. 1986. 100 с.

© Борисенко Е. А., Шахматова В. А., Беляков Н. Н., 2014